(57)【要約】【課題】  放射光発生装置として利用する装置に装着するウィグラーまたはヘリカルウィグラーの構成を軽量にした円形粒子加速器を構成する。【解決手段】  粒子ビーム周回軌道に設けて粒子ビームを蛇行させるウィグラーを、粒子ビーム周回軌道に複数の空洞を連結して直列に配置し、それぞれの空洞に電磁波を導入して、粒子ビームに垂直な磁場成分を持つＴＭ１１０モードを励振し、各空洞の磁場方向が同一方向になるゼロモードで運転される高周波空洞で形成した。【選択図】        図３
2005353611.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
粒子ビーム周回軌道、粒子ビームを粒子ビーム周回軌道に沿って周回させる四極電磁石、偏向電磁石および粒子ビームを加速させる加速空洞を備えた円形粒子加速器において、複数の空洞が連結されて粒子ビーム周回軌道に直列に配置され、それぞれの空洞に電磁波を導入して、粒子ビームの中心軸に対して垂直な磁場成分を持つＴＭ１１０モードを励振し、各空洞の磁場方向が同一方向になるゼロモードで運転される高周波空洞で粒子ビームを蛇行させるウィグラーを備えたことを特徴とする円形粒子加速器。
【請求項２】
粒子ビーム周回軌道、粒子ビームを粒子ビーム周回軌道に沿って周回させる四極電磁石、偏向電磁石および粒子ビームを加速させる加速空洞を備えた円形粒子加速器において、複数の空洞が連結されて粒子ビーム周回軌道に直列に配置され、それぞれの空洞に電磁波を導入して、粒子ビームに垂直な磁場成分を持つＴＭ１１０モードを励振し、各空洞の磁場方向が後段になるにしたがって所定の角度で順次ずらせて配置した高周波空洞で構成され、粒子ビームを螺旋状に進行させるヘリカルウィグラーを備えたことを特徴とする円形粒子加速器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、円形粒子加速器において粒子ビームに磁場を与えて放射光を発生させる放射光発生装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般的な円形粒子加速器は、図５のように構成されている。図５において、１は粒子ビームが入射される入射ダクト、２は入射された粒子ビームを周回方向に曲げる入射セプタム、３は粒子ビームが周回する粒子ビーム周回軌道、４は四極電磁石、５は粒子ビーム軌道の曲部に配置され粒子ビームを周回方向に曲げる偏向電磁石、６は粒子ビームを加速する加速空洞、７は高次モード空洞、８は加速された粒子ビームを出射ダクトに導く出射セプタム、９は六極電磁石、１０は加速された粒子を出射する出射ダクトである。
【０００３】
図５に示すような円形粒子加速器から粒子ビームを取り出す方法には大きく分けて低エネルギーの粒子ビームを取り出す“早い取り出し”と、高エネルギーの粒子ビームを取り出す“遅い取り出し”と呼ばれる２つの方法があり、この発明は“遅い取り出し”に関するものである。
【０００４】
粒子ビーム周回軌道を周回する粒子ビームのセパラトリクスと呼ばれる安定領域と不安定領域の境界が形成されている場合、セパラトリクスの外側すなわち不安定領域に動かす方法としては、セパラトリクスを徐々に小さくする方法と、セパラトリクスは動かさずに安定領域にいた粒子ビームに高周波電場で振動を加えてセパラトリクスまでエミッタンスを増加させる方法があり、後者の方法がｒｆノックアウトを用いた遅い取り出しと呼ばれる。
【０００５】
従来の円形粒子加速器から粒子ビームを取り出すｒｆノックアウトを用いた取り出しは、例えば、特許文献１に開示された方法がある。図６に粒子ビームの粒子ビーム周回軌道１１の直線部にｒｆノックアウト電極１２が挿入された状態の模式図を示す。ｒｆノックアウト電極１２には高周波電源１３が接続され、粒子ビーム周回軌道１１からは出射セプタム１４、デフレクター１５により粒子ビームが取りだされる。
【０００６】
円形粒子加速器では、リング状の粒子ビーム周回軌道１１の中を周回する粒子ビームは粒子ビーム周回軌道１１の水平方向と垂直方向に微小振動して周回している。この微小振動をベータトロン振動と呼び、リング状の粒子ビーム周回軌道１１の１周当たりの振動数をベータトロンチューンまたは単にチューン呼んでいる。このチューンは粒子ビームが安定に周回するように選ばれるが、粒子ビームの取り出しには不安定になるチューンを選んで行われる。例えばチューンを１／３整数に選び、六極電磁石により粒子ビームに振動を与えて位相空間上にセパラトリクスを形成した場合、セパラトリクスの外側すなわち不安定領域に出た粒子ビームが粒子ビーム周回軌道１１を周回する毎に振幅が大きくなり、最終的に取り出し用に設置された出射セプタム１４に到達し、出射セプタム１４に形成されている静的な電場または磁場により外側に蹴り出されて下流に設置されたデフレクター１５により出射ダクトに導かれる。
【０００７】
ｒｆノックアウト電極１２は一対の平行平板からなり、この間に周波数Ｆrfの高周波電圧が加えられる。この周波数Ｆrfはベータトロンチューンの小数部分をｎ、周回周波数をＦrev、任意の整数をｍとすると、（式１）で表される。
【０００８】
【数１】
2005353611.tif 000003
【０００９】
ｒｆノックアウト電極１２の間の電場により蹴られる角度θは（式２）の関係になる。
【００１０】
【数２】
2005353611.tif 000004
【００１１】
ここでそれぞれのパラメータの値が次の表１の場合について電場を求める。
【００１２】
【表１】
2005353611.tif 000005
【００１３】
この条件において、電極間のギャップが１００ｍｍの場合、高周波電圧は１０ｋＶを加える必要がある。このように電場による運動量ｐが１０ＧｅＶ／ｃを越えるような領域では、必要な高周波電圧は１０ｋＶよりも高くなり、非常に高い値が必要となる。この電圧を印加するためには、発生させる高周波電源およびｒｆノックアウト電極は高電圧に耐える絶縁構成となる。
【００１４】
がん治療等に供される医療用の円形粒子加速器では、三次元照射時に高速の粒子ビームの取り出し、停止を行う必要がある。このような場合、粒子ビーム周回軌道に沿って横方向に微小振動しながら周回している粒子ビームのベータトロン振動の１周当たりの振動数のチューンを１００μｓ〜数ｍｓで変化させる必要がある。通常、偏向電磁石、四極電磁石の電源リップルにより、チューンが変化してセパラトリクスが脈動し、取り出された粒子ビームの強度がそのリップルに同期して変動することがある。この場合リップルの成分は早いもので１２００Ｈｚ（電源が６０Ｈｚの場合は１４４０Ｈｚ）である。このような粒子ビームの取り出しでは、チューンをシフトする場合、通常、図７に示すような磁場分布の四極電磁石が用いられ、その動作速度は数１０ｍｓ程度であり、十分な高速応答性が得られない。
【００１５】
円形粒子加速器において、粒子ビームを蛇行させることにより、放射光を発生させる放射光発生装置では、図８に示すような、粒子ビーム周回軌道１１に対して、磁場の方向が直角方向で磁場の向きが一段毎に交互になるウィグラーと称する複数の電磁石または永久磁石１６ａ、１６ｂ・・・１６ｎを配置した構成が粒子ビーム周回軌道の直線部に挿入されている。この図８の構成は電磁石または永久磁石は重量が重く、大がかりな装置構成となる。
【００１６】
また、円形粒子加速器において、粒子ビームを螺旋状に進行させて放射光を発生させる放射光発生装置では、図９に示すような粒子ビーム周回軌道１１の進行方向から見て螺旋状すなわち粒子ビーム１１の進行方向の距離ｓの一次関数となっているような電磁石または永久磁石の並びで構成されたヘリカルウィグラー１８が使用されるが、この場合においても、重量が重く、大がかりな装置構成となる。
【００１７】
【特許文献１】特公平５−１９８３９７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
円形粒子加速器内の粒子ビームに磁場を与えて放射光を発生させる放射光発生装置の粒子ビーム周回軌道１１に対して、磁場の方向が直角方向で磁場の向きが一段毎に交互になるウィグラーまたは粒子ビームを螺旋状に進行させて放射光を発生させるヘリカルウィグラーの従来の構成は、重量が重く、大がかりな装置構成となる問題点があった。
【００１９】
この発明は、放射光発生装置として利用する装置に装着するウィグラーまたはヘリカルウィグラーの構成を軽量にした円形粒子加速器を構成することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
この発明に係る形粒子加速器による放射光発生装置は、粒子ビーム周回軌道に設けて粒子ビームを蛇行させるウィグラーを、粒子ビーム周回軌道に複数の空洞を連結して直列に配置し、それぞれの空洞に電磁波を導入して、粒子ビームに垂直な磁場成分を持つＴＭ１１０モードを励振し、各空洞の磁場方向が同一方向になるゼロモードで運転される高周波空洞で形成したものである。
【発明の効果】
【００２１】
粒子ビームを蛇行させるように運転されるウィグラーを、粒子ビーム周回軌道に複数の空洞を連結して直列に配置し、それぞれの空洞に電磁波を導入して、粒子ビームに垂直な磁場成分を持つＴＭ１１０モードを励振し、各空洞の磁場方向が同一方向になるゼロモードで運転される高周波空洞で形成したので、ウィグラー部分が軽量になり、放射光発生装置として利用する円形粒子加速器がコンパクトに構成できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
実施の形態１．
円形粒子加速装置の振動振幅を増幅する振動振幅増幅手段を磁場でキックする構成の場合に説明する。
粒子ビームの振動振幅を増幅するベータトロン振動振幅増幅手段を磁場でキックする構成とした場合のキック角θは（式３）で与えられる。
【００２３】
【数３】
2005353611.tif 000006
【００２４】
式３のキック角θを満足する磁場Ｂは、Ｂ＝３．６×１０−４Ｔである。
【００２５】
実施の形態１のベータトロン振動振幅増幅手段は、空洞を粒子ビームの周回軌道に直列に配置し、空洞に電磁波を導入してＴＭ１１０モードを励振し、粒子ビームの中心軸に対して垂直方向の磁場を形成する高周波空洞で構成としたものである。高周波空洞は、Ｈigher Ｏrder Ｍode（ＨＯＭ）を利用するという意味で以下ＨＯＭ空洞と呼称する。図１にＨＯＭ空洞を粒子ビーム周回軌道１１に装着した状態を模式的に示した構成を示す。
【００２６】
図１において、粒子ビーム軌道１１、出射セプタム１４、デフレクタ１５は、従来の粒子ビーム周回軌道にｒｆノックアウト電極を配置した構成の図６の対応する部分と同一である。３１は電磁波を導入してＴＭ１１０モードを励振し、粒子ビームの中心軸に対して垂直方向に磁場を生成するＨＯＭ空洞、３３は高周波電源である。
【００２７】
図２はＨＯＭ空洞３１の部分拡大断面図である。図２の３５は電磁波を導入する導波管、３６はＴＭ１１０モードを励振するループカプラーである。ＨＯＭ空洞３１に電磁波を導入すると粒子ビームの中心軸に対して直角方向に磁場を生成し、粒子ビームと平行に電場を生成する。粒子ビームが高速で通過すると横方向にキックを受け、徐々に振幅を増幅して行き、従来技術欄で説明した電場でキックする場合と同様にセパラトリクスに到達した粒子ビームがさらに共鳴（この場合は３次共鳴）して振幅を増し出射セプタム１４到達する。出射セプタム１４では一様で静的な電場または磁場により、外側に蹴り出され、下流に設置されたデフレクタ１５により、出射ダクトに導かれる。
【００２８】
このような円形粒子加速装置を放射光発生装置として利用する場合には、図１の構成の粒子ビームの周回軌道の１１の直線部に複数の空洞を直列に接続して挿入する。それぞれの空洞に電磁波を導入して各磁場の方向が同一方向になるようにＴＭ１１０モードを励振する。その構成を模式的に示した構成図を図５に示す。図において、５１ａ、５１ｂ・・・５１ｎは複数が直列に接続されたＨＯＭ空洞であり、５３は高周波電源である。各空洞のそれぞれに電磁波を導入し隣り合う空洞の位相差がゼロすなわち各空洞の磁場の方向が同一方向であるゼロモードに励振し、各空洞において各バンチが振動する磁場を経験するように電磁波の周波数および間隔を決定することが必要である。図５の（ａ）〜（ｅ）は粒子ビームの各バンチが時間経過とともに各空洞において反対方法になった磁場により曲げられるように蛇行して通過し、放射光を発生する。
【００２９】
このようにウィグラーを複数の空洞を直列にしたＨＯＭ空洞にして、それぞれの空洞に電磁波を導入してＴＭ１１０モードを励振する構成としたことにより、ウィグラー部分が軽量になり円形粒子加速器としてコンパクトに構成できる。
【００３０】
実施の形態２．
実施の形態２は、粒子ビームに螺旋状の磁場を与えるヘリカルウィグラーを実施の形態１と同様に複数の空洞を直列にしたＨＯＭ空洞を円形粒子加速器の直線部に挿入し、各空洞に電磁波を導入してＴＭ１１０モードを励振する構成としたものである。ヘリカルウィグラーであるためには磁場が螺旋状を描くようにＨＯＭ空洞の磁場方向を順次傾けた配置とすることが必要である。その状況を図６に示す。図において、６１ａ、６１ｂ・・・６１ｎはＨＯＭ空洞の各空洞であり、６３は高周波電源である。ＨＯＭ空洞を通過するバンチは空洞毎に磁場の方向が所定の角度で変わるので、螺旋状に運動して進行し、放射光を発生する。
【００３１】
このようにヘリカルウィグラーにおいても、複数の空洞を直列にしたＨＯＭ空洞にして円形粒子加速器の直線部に挿入し、電磁波を導入してＴＭ１１０モードを励振した構成としたことにより、実施の形態１と同様に、ヘリカルウィグラー部分が軽量になり円形粒子加速器としてコンパクトに構成できる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】ベータトロン振動振幅増幅手段の構成を模式的に示した構成図である。
【図２】図１のＨＯＭ空洞のビームと磁場の関係を示す断面図である。
【図３】ＨＯＭ空洞を用いたウィグラーの動作説明図である。
【図４】ＨＯＭ空洞を用いたヘリカルウィグラーの動作説明図である。
【図５】従来の粒子加速器の構成図である。
【図６】従来の粒子ビームのベータトロン振動振幅を増幅する増幅手段の構成を模式的に示した構成図である。
【図７】従来の粒子加速器に使用されている四極電磁石の磁場分布図である。
【図８】従来のウィグラーの構成を模式的に示した構成図である。
【図９】従来のヘリカルウィグラーの構成を模式的に示した構成図である。
【符号の説明】
【００３３】
１１  粒子ビーム周回軌道、１４  出射セプタム、１５  デフレクター、
３１  ＨＯＭ空洞、３３  高周波電源、３５  導波管、３６  ループカプラー、
５１ａ，５１ｂ・・・５１ｎ  ＨＯＭ空洞、５３  高周波電源、
６１ａ，６１ｂ・・・６１ｎ  ＨＯＭ空洞、６３  高周波電源。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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